高瓦斯煤層放頂煤安全開采相關技術問題
高瓦斯煤層放頂煤安全開采相關技術問題
明科棟
山西省高平市南陽煤礦
摘 要
介紹我國放頂煤開采技術的發(fā)展過程，闡明放頂煤采煤法是一種既高產又安全的采煤方法。對于高瓦斯煤層進行放頂煤開采，在硬頂煤和硬頂板特殊的地質條件下，必須采取特殊的措施才能安全開采。
關鍵詞：安全開采；放頂煤； 高瓦斯煤層
1 概 述
近年來在放頂煤工作面發(fā)生了數(shù)次嚴重的瓦斯爆炸事故，引起了國內上到國務院、國家煤礦安全生產監(jiān)督管理局領導，下至煤炭同行的嚴重關注。例如：2004年11月28日銅川陳家山煤礦綜放工作面發(fā)生瓦斯事故，死亡166人；2005年10月3日，鶴壁二礦放頂煤工作面發(fā)生瓦斯爆炸事故，死亡31人。不少人甚至產生這樣的質疑：放頂煤采煤方法是否是本質不安全的采煤方法。有必要在這里澄清對這一問題的看法。
普通放頂煤采煤法在國內外應用有悠久的歷史，可以追溯到20世紀初。而綜合機械化放頂煤采煤法是1964年首先在法國中南煤田布朗齊礦試驗成功的。我國從1982年開始試驗研究綜放開采技術，第一個緩傾斜特厚煤層一次采全高綜放工作面于1984年4月在遼寧沈陽礦務局蒲河礦投入試驗。第一個急傾斜特厚煤層水平分層綜放開采工作面，于1986年3月在窯街礦務局二礦投入試驗。
這兩個工作面均在1986年試驗成功，取得了良好的技術經濟效果，并于當年進行了鑒定。在隨后的年代里放頂煤開采包括綜合機械化放頂煤、單體液壓支柱放頂煤、滑移支架放頂煤，得到了迅猛發(fā)展。我國幾乎所有的厚煤層礦區(qū)均采用了放頂煤采煤法，傳統(tǒng)的分層開采已被放頂煤采煤方法取代。我國綜放開采技術已處在世界領先地位，并將這一技術輸出到國外。時至今日，我國每年的綜放產量接近1億t。
在綜放開采技術發(fā)展過程中，科研院所和高校與現(xiàn)場密切結合，在綜放開采采煤工藝、技術裝備、瓦斯治理、防火、粉塵治理、礦壓顯現(xiàn)、地表沉陷、頂煤頂板運移規(guī)律以及提高煤炭采出率等諸多方面，進行了大量的研究工作，取得一系列研究成果，使綜放開采技術得以完善和提高。1994年，為了規(guī)范綜放開采技術，原煤炭工業(yè)部專門組建綜放專家組制定了《綜放開采技術暫行規(guī)定》。至此，綜放開采技術20多年來經過試驗、推廣完善及提高幾個階段，已經成為高產、高效、安全、經濟效益好的采煤方法，并成為我國厚煤層礦區(qū)建設高產高效集約化礦井的有效技術途徑之一。
2 高瓦斯煤層放頂煤開采應具備的條件
高瓦斯煤層的綜放開采安全問題最近幾年行受國內采礦界關注。多數(shù)礦區(qū)的實踐證明，高瓦斯煤層不但可以進行綜放開采，而且同樣可以實現(xiàn)高產高效，例如，靖遠礦務局魏家地煤礦是一個高瓦斯、易自燃、有突出危險的新建礦井，設計生產能力為150萬t／a，投產7年，采用分層綜采，全礦4個工作面年產量之和僅為20萬～30萬t，礦井在采取措施，降低突出危險性后，采用綜放開采，在綜放工作面投產的第2年，產量就超過了80萬t／a，何沒有發(fā)生瓦斯突出事故；淮南謝橋礦為設計年產量400萬t的新建礦井，為高瓦斯礦井，礦井設計時被定為具有煤及瓦斯突出危險，采取安全措施后，在厚度不超過5m的煤層中用綜放開采，未發(fā)生突出事故， 目前工作面生產能力已達到200萬t／a以上。我國還有不少礦區(qū)的較薄厚煤層均采用放頂煤采煤方法。如徐州、淮北、邯鄲、峰峰等煤礦，煤層厚度4．5～5 m，礦井的地質條件和經濟條件又不允許采用大采高綜采，采用放頂煤采煤法開采是最好的選擇。
鑒于高瓦斯煤層進行放頂煤開采在安全方面有其特殊性，主要表現(xiàn)在放頂煤工作上隅角發(fā)生瓦斯超限，采空區(qū)如有空洞易形成瓦斯庫，采空區(qū)遺煤自燃，易發(fā)生瓦斯爆炸事故等。因此，高瓦斯煤層進行放頂煤開采時，對其地質條件應有特殊要求。
2．1 煤層直接頂板及底板巖性與厚度
從放頂煤開采提高采出率出發(fā)，不但要求頂煤能隨采隨冒，也要求煤層的直接頂能隨采隨冒，而且要求直接頂?shù)目迓涓叨?，至少等于煤層的厚度。高瓦斯煤層進行放頂煤開采也必須滿足這一要求，主要是出于安全的考慮。如果直接頂不能隨采隨冒，或雖能隨采隨冒，但垮落厚度小，不足以充填采空區(qū)，則必然在采空區(qū)形成空洞，給瓦斯積聚提供了空間(圖1)。同時，直接頂垮落充填厚度不足以形成工作面和采空區(qū)空洞之間的安全隔離帶造成漏風，給空洞提供供氧條件，則空洞里的瓦斯一旦達到爆炸或爆燃濃度遇石英法的基本頂垮落產生的火花或工作面巷道尾部中錨斷裂產生的火花，就會發(fā)生瓦斯爆燃事故，并波及工作面。特別是在工作面初采期間，直接頂不能充分垮落，極易形成這樣的條件(圖2)
在堅硬頂煤條件下進行放頂煤，國內已有成熟的經驗。即通過頂煤的軟化處理，改善頂煤的冒放性，主要手段是注水軟化和預爆破處理。對于注水特性好的煤層以注水軟化為最佳選擇。因為這種方法除了軟化頂煤外，還可以起到防塵、降溫，只能預防自然發(fā)火，排放瓦斯的作用。對于注水特性不好的煤層，只能采用預爆破的方法進行頂煤軟化處理。所謂預處理，就是在頂煤中的工藝巷里或工作面的兩個平巷里，超前工作面一定距離進行深孔預爆破。在有些礦區(qū)，對工作面局部塊段或兩端頭處頂煤不易垮落的頂煤，也有實施架間爆破的。從安全角度考慮頂煤軟化對于高瓦斯煤層，更重要的是避免頂煤垮落不充分，在采空區(qū)形成空洞，積聚瓦斯，造成安全隱患。在工作面兩端或局部地段進行頂煤松動爆破處理時，應控制鉆孔的位置和方向，保證松動爆破不致和采空區(qū)連通。要求打眼工作應在工作面煤壁附近進行，鉆孔的位置距煤壁的距離不應大于1 m，鉆孔向采空區(qū)方向的傾角不超過15。。在預采頂分層網下進行放頂煤開采時，鉆孔的孔底距頂分層底板的距離不應小于0．5 m。
當煤層頂板堅硬或直接頂很薄時，對放頂煤是不利的。一般情況下即使進行頂煤軟化處理，效果也是不理想的。即使不考慮采出率，在高瓦斯情況下，采空區(qū)空洞積聚瓦斯是不可避免的。因而對于高瓦斯厚煤層，如果煤厚度在5～6 m以上，則建議采用預采頂分層放頂煤采煤法(圖3)。即先采一個頂分層(鋪網或不鋪網均 可)，將頂板放下來，然后再沿煤層底板進行放頂煤開采。預采頂分層對于高瓦斯煤層還有一個好處，就是在采頂分層時，可以釋放煤層的瓦斯，起到開采解放層的作用。如果高瓦斯煤層的厚度在5 m以下，頂板又不易垮落，則最好選用其他采煤法。
2．2 堅硬頂煤和堅硬頂板放頂煤開采
在堅硬頂煤條件下進行放頂煤，國內已有成熟的經驗。即通過頂煤的軟化處理，改善頂煤的冒放性，主要手段是注水軟化和預爆破處理。對于注水特性好的煤層以注水軟化為最佳選擇。因為這種方法除了軟化頂煤外，還可以起到防塵、降溫，只能預防自然發(fā)火，排放瓦斯的作用。對于注水特性不好的煤層，只能采用預爆破的方法進行頂煤軟化處理。所謂預處理，就是在頂煤中的工藝巷里或工作面的兩個平巷里，超前工作面一定距離進行深孔預爆破。在有些礦區(qū)，對工作面局部塊段或兩端頭處頂煤不易垮落的頂煤，也有實施架間爆破的。從安全角度考慮頂煤軟化對于高瓦斯煤層，更重要的是避免頂煤垮落不充分，在采空區(qū)形成空洞，積聚瓦斯，造成安全隱患。在工作面兩端或局部地段進行頂煤松動爆破處理時，應控制鉆孔的位置和方向，保證松動爆破不致和采空區(qū)連通。要求打眼工作應在工作面煤壁附近進行，鉆孔的位置距煤壁的距離不應大于1 m，鉆孔向采空區(qū)方向的傾角不超過15。。在預采頂分層網下進行放頂煤開采時，鉆孔的孔底距頂分層底板的距離不應小于0．5 m。
當煤層頂板堅硬或直接頂很薄時，對放頂煤是不利的。一般情況下即使進行頂煤軟化處理，效果也是不理想的。即使不考慮采出率，在高瓦斯情況下，采空區(qū)空洞積聚瓦斯是不可避免的。因而對于高瓦斯厚煤層，如果煤厚度在5～6 m以上，則建議采用預采頂分層放頂煤采煤法(圖3)。即先采一個頂分層(鋪網或不鋪網均 可)，將頂板放下來，然后再沿煤層底板進行放頂煤開采。預采頂分層對于高瓦斯煤層還有一個好處，就是在采頂分層時，可以釋放煤層的瓦斯，起到開采解放層的作用。如果高瓦斯煤層的厚度在5 m以下，頂板又不易垮落，則最好選用其他采煤法。
(4)Y形通風系統(tǒng)，在采用無煤柱巷旁充填護巷，進行放頂煤開采時，在采空區(qū)保留一條巷道，作為回風巷，而工作面的2個平巷做進風用,形成兩進一回的通風格局。如圖5所示。
4．1 采煤機割煤速度和放頂煤速度
回采工作面煤壁瓦斯涌出量的計算公式如下：
Qm=Vmh(1－exp) (1)
式中 Qm ── 煤壁瓦斯涌出量，m3 ／min；
Vm── 采煤機割煤速度，m／min；
h ── 截割高度，m；
── 回采工作面煤壁瓦斯的涌出強度，m3／(min·m2 )；
── 瓦斯涌出衰減系數(shù)，min-1；
── 工作面長度，m。
回采工作面采(放)落煤塊瓦斯涌出量的計算公式如下：
Qk=Xcηm (2)
式中Xc為單位煤塊重量在回采工作面停留時間之內涌出的瓦斯量,m3 ／t；ηm為采煤機落煤(放煤)效率，t／min，ηm = HBγ，其中H為截割高度或放煤高度，m；B為采煤機截深或放煤步距，m；γ為煤體容重，kN／m3 。
從式(1)、式(2)看出，煤壁和采落煤塊的瓦斯涌出量，都與采煤機的割煤速度或放煤速度成正比。因而在高瓦斯放頂煤工作面，應控制割煤速度和放煤速度，否則會造成工作面局部瓦斯超限。割煤速度和放煤速度應通過實測確定。即在采煤機割煤或放煤時，在采煤機和放煤口下風口處檢測瓦斯?jié)舛?，改變割煤速度和放煤速度，以瓦斯不超限時的速度為該工作面的合理割(放)煤速度。
4．2 頂煤的軟化處理工藝
如遇頂煤堅硬不能隨采隨冒，如不進行頂煤軟化處理，改善頂煤的冒放性，必然會丟失大量的頂煤。在高瓦斯堅硬煤層進行頂煤軟化處理時必須選擇合理的頂煤軟化方法。
4．3 高瓦斯放頂煤工作面的初次放頂
放頂煤工作面在頂煤和直接頂初次垮落之前采空區(qū)未能充填，此時最宜在采空區(qū)積聚大量瓦斯，而且在切眼里采用錨桿、錨索支護。一旦頂煤或頂板垮落時，錨桿(索)斷裂，摩擦極易產生火花。如不采取防范措施，就會發(fā)生瓦斯爆燃事故。在高瓦斯放頂煤工作面初次放頂時必須采取以下措施：
(1)在工作面離開切眼前對切眼上方的頂煤和后方煤柱實施爆破處理，使頂煤的初次垮落步距為零。
(2)在直接頂垮落之前不得進行放頂煤。如果此時大量放頂煤將采空區(qū)放空，必然形成巨大的積聚瓦斯空間。
(3)應采取縮小直接頂?shù)某醮慰迓洳骄?，有效的方法是在工作面切眼的上方頂煤中，沿頂板掘一輔助切眼，在輔助切眼里，對直接頂進行拉槽預爆破處理，可使直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗫s減為零。
5 高瓦斯煤層放頂煤工作面的防火問題
高瓦斯煤層進行放頂煤開采時，除采用常規(guī)的綜合防滅火措施外，必須考慮防治瓦斯和防火之間的關系。應從以下幾方面著手解決這一問題。
(1)從某種意義上講，采空區(qū)積聚瓦斯，必然減少采空區(qū)的供氧量，因而對防火是有利的，但采空區(qū)瓦斯如果大量涌人工作面，則必對工作面安全帶來威脅。為避免采空區(qū)瓦斯涌人工作面，可以改變工作面的推進方向，即使工作面沿煤層偽俯斜布置，使工作面的推進方向變?yōu)閭胃┬毕蛳峦七M，這樣采空區(qū)的瓦斯向上運動，不致涌人工作面內。
(2)在采用u+L形通風系統(tǒng)時，應盡量縮短回風流經過采空區(qū)的路線或避免回風流經過采空區(qū)，以防止采空區(qū)漏風。
(3)在u形或E形通風條件下，應加強工作面兩端頭尾巷的密閉，防止采空區(qū)漏風。在E形通風條件下，應盡可能通過高抽巷或排瓦斯巷排放采空區(qū)瓦斯，以減少采空區(qū)的瓦斯含量。
(4)在Y形通風條件下，應對巷旁充填帶進行噴漿或泡沫塑料噴涂，防止充填帶漏風。
(5)在任何通風條件下，都應加強工作面的推進速度，以盡快使采空區(qū)厭氧帶的出現(xiàn)時間小于煤炭自然發(fā)火期。
參考文獻
[1] 樊運策．綜合機械化放頂煤開采技術[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2003．
[2] 于不凡．煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000．
[3] 尚海濤．高瓦斯煤與瓦斯突出危險煤層的綜放開采探討[J]．煤炭科學技術，2003(12)．
